基于三維數字測量系統的水平測量方法研究

摘 要：文章提出了一個基于三維數字測量系統的飛機水平測量方法。與目前傳統采用水準儀和經緯儀進行水平測量相比，用這類系統進行水平測量，不僅可以獲得較高的測量精度，減少飛機調水平的環節，另外掃描形成的數字模型也更加方便進行后期數據的處理和對測量結果進行判定。

關鍵詞：水平測量；數字三維測量系統；V-STARS；逆向

1 水平測量概述

從設計角度來講飛機水平測量的主要目的是用來檢查飛機各部件相對位置的安裝幾何參數和對稱性，以及在其使用過程中的變形情況，以保證飛機的技術性能。通過水平測量可以驗證飛機對設計文件的制造符合性，為飛機的制造符合性審定提供依據[1-3]。

隨著數字測量技術的發展，三維激光掃描、攝影三坐標測量技術等數字化三維測量技術日趨成熟和完善。相對于目前的機械光學測量手段，數字測量技術有很大的優勢。文章以V-STARS（Video-Simultaneous Triangulation and Resection System）系統為例介紹數字化測量系統的功能和應用，通過一個三維測量的實例，探討其在飛機水平測量中實施的可行性。

2 三維數字測量技術介紹

三維數字測量技術可以直接將各種大型的、復雜的、不規則、標準或非標準等實體或實景的三維數據完整的采集到電腦中，進而快速重構出目標的三維模型及線、面、體等。下面將以V-STARS單相機系統為例介紹三維數字測量技術[4]。

2.1 V-STARS系統概述

該系統是基于數字攝影的大尺寸三坐標測量系統，也稱為工業攝影測量系統。它通過V-STARS軟件處理采集好的照片來得到待測點的三維坐標，而這些照片是用一個高精度的專業相機，通過在不同的位置和方向，對同一物體進行拍攝所獲取的，V-STARS軟件會自動處理這些照片，通過圖像匹配等處理及相關數學計算后得到待測點精確的三維坐標。一旦處理完畢，被測對象的三維數據將會進入到坐標系統中，三維數據可以被輸出。這些被測量的物體一般是事先手動貼上回光反射標志，也可以是探測棒上的點，或是通過投點器投射上點云。V-STARS系統組成見圖1。

2.2 V-STARS系統技術特點

（1）高精度：單相機系統在10m范圍內測量精度可以達到0.08mm，而雙相機系統則可以達到0.17mm；

（2）非接觸測量：光學攝影的測量方式，無需接觸工件；

（3）適應性好：被測物尺寸從0.5m到100m均可用一套系統進行測量；

（4）便攜性好：單相機系統1人即可攜帶到現場或外地開展測量工作；

（5）可輸出STL，IGES，ASC等常用CAD軟件兼容的數據文件格式。

3 基于三維數字測量技術的水平測量方法

3.1 基于三維數字測量技術的水平測量方法的流程

在三維數字測量基礎上文章的改進水平測量方法，分為的步驟如下：

（1）通過三維數字測量系統（如V-STARS）系統獲得被測物體表面的點云；

（2）將點云導入逆向數據處理軟件如達索公司的CATIA，通過將點云逆向成形，獲得被測物體的外形數模[5]；

（3）將測得的曲面數模和理論數模，通過在CATIA的數據分析功能，按照水平測量的要求，評估飛機各部件相對位置的安裝幾何參數和對稱性。

（4）形成水平測量報告。

3.2 基于三維數字測量技術的測量實例

文章通過實際測量某型飛機左機翼的外形，并導入CATIA軟件將測量結果與設計的理論外形進行對比分析，驗證三維數字測量技術應用于水平測量的可行性，對比效果如圖2所示。

圖2 掃描結果與理論數模比較的云圖及提取翼型切面上型值的對比（單位：mm）

由圖2可以看出，測量的結果不僅可以獲得個別點位的偏移公差，還可以從整體獲得所有點位的公差，云圖和切面的方式表示出來，應用CATIA分析和測量功能，很容易獲得涉及的所有的水平測量項目要求的結果。

4 結束語

從文章可以看出基于三維數字測量技術的水平測量方法在技術上是可行的。基于三維數字測量技術的水平測量方法相比于傳統的水平測量方法可以獲得較高的測量精度，減少飛機調水平的環節，掃描形成的數字模型也更加方便進行后期數據的處理和對測量結果進行判定。不足之處是目前成套的測量設備價格還比較高，在一定程度限制了該方法的實施。隨著經濟社會的發展和三維數字測量設備成本的下降，該方法必然會越來越多的應用于飛機的水平測量。

參考文獻

[1]HB/Z 103-86.飛機水平測量公差[S].

[2]GJBZ 20214-94.飛機修理中的水平測量[S].

[3]CCAR23 正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定.2004，12.

[4]V-STARS系統說明.辰維科技，www.chenweikeji.com.

[5]尤春風.CATIA V5曲面造型系列[M].清華大學出版社，2004.